R. Cesari 1, G. Lella 1,3, C. Mangia 1, G.P. Marra 1, M. Miglietta 1, U. Rizza 1, I. Schipa
1,3, A. Tanzarella 1,2
1 CNR ISAC, Sezione di Lecce
2 Università degli Studi di Lecce
3 Osservatorio dell’Inquinamento Atmosferico di Campi Salentina corresponding author: e-mail u.rizza@isac.cnr.it
Sommario
Questo lavoro presenta un sistema integrato per lo studio del trasporto e dispersione degli inquinanti. Il sistema è stato applicato nell’area del Salento, nella regione Puglia che, essendo circondata da due diversi mari, rende i modelli semplificati incapaci di descrivere la circolazione locale. Il sistema di costruzione del modello consiste di modelli meteorologici e di dispersione. Due modelli meteorologici sono stati accoppiati a cascata: RAMS, un modello meteorologico mesoscala, e CALMET, un modello tridimensionale di diagnostica micro-meteorologica. Il risultato fornito dal sistema RAMS/CALMET così ottenuto è stato usato dal modello fotochimico CALGRID.
Le simulazioni meteorologiche con scenari realistici sono realizzate in un caso specifico, caratterizzato da circolazioni meteorologiche complesse, per verificare la capacità del sistema RAMS/CALMET di riprodurre le principali caratteristiche di flusso atmosferico. Un test per stimolare la concentrazione di O3 con CALGRID è stato
realizzato in un periodo prestabilito. I risultati del modello sono stati comparati con i punti origine delle misurazioni.
Introduzione
Le circolazioni a mesoscala e gli effetti locali possono avere importanti conseguenze sulle condizioni locali del tempo e la struttura dello strato limite, modificando la dispersione degli inquinanti nell’aria in modo significativo (Fisher 2000). La
circolazione locale in ambiente costiero non può essere di solito ottenuta con modelli semplificati, i quali suppongono che il flusso sia stazionario e omogeneo. In presenza di linee costiere si hanno circolazioni complesse, caratterizzate da grandi variazioni orizzontali e verticali dei parametri meteorologici, che sono causati dal differente ciclo di riscaldamento diurno, sul limite mare/terra (Melas et al. 2000). In particolare, in una penisola bassa e diritta, sono presenti piccole scale di variazione temporale e spaziale del campo dei venti e dei parametri dello strato limite, e questo è il risultato di differenti circolazioni termiche tra loro sovrapposte. L’impatto a livello del suolo degli inquinanti è così determinato da traiettorie tridimensionali non stazionarie che devono essere stimate per calcoli realistici di trasporto di dispersione degli inquinanti. Pertanto è necessario disporre di un sistema combinato di modelli, che abbini flussi atmosferici con la dispersione e chimica. Questo approccio è particolarmente necessario per l’inquinamento fotochimico dove la chimica non-lineare è combinata con effetti meteorologici, che influenzano fortemente la concentrazione massima di ozono:
inquinanti primari e secondari possono anche essere trasportati molto lontano dall’area dove essi sono prodotti ed emessi. Può succedere, infatti, che alti livelli di ozono vengano misurati a grande distanza dalle aree nelle quali i precursori sono emessi.
Lo scopo di questo lavoro è lo studio delle prestazioni di un sistema di modelli che riproducono le principali caratteristiche dei flussi atmosferici e della dispersione di inquinanti. Questo sistema è stato applicato alla Penisola Salentina, in Puglia, che è soggetta a un complesso sistema di brezze mare-terra. Per la simulazione meteorologica è stato scelto il periodo dal 2 al 4 luglio 2003. Infatti alcune tipiche condizioni del periodo estivo dell’area mediterranea, per esempio l’assenza di vento, la stabilità atmosferica e l’elevata quantità di radiazioni solari, rendono possibile la creazione e il persistere di inquinamento fotochimico. Con queste condizioni lo smog estivo si forma attraverso una reazione fotochimica tra ossido di azoto e composti organici volatili (VOCs).
Il sistema di modelli
Il RAMS (Regional Atmospheric Modelling System) codice versione 4.3 (Pielke et al.
1992) è un sistema altamente versatile sviluppato alla Colorado State University per simulare e prevedere la circolazione del tempo atmosferico. Esso è costituito da un modello atmosferico utilizzato per le simulazioni e un pacchetto per l’analisi dati che prepara i dati iniziali per il modello atmosferico dalle stazioni meteorologiche osservate.
Il modello RAMS è stato inizializzato usando i dati acquisiti dall’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), aggiornando i campi meteorologici ogni sei ore.
Il CALMET (CALifornian METeorological model) (Scire et al. 1990) è un modello meteorologico che include un generatore diagnostico per il campo vento contenente analisi oggettive e trattamenti parametrizzati di flussi su terreni inclinato, effetti cinematici terrestri, effetti di bloccaggio terrestre e una procedura di minimizzazione delle divergenze e un modello micro-meteorologico per gli strati limite via terra e via mare.
L’output di CALMET consiste di campi su griglia tridimensionale delle componenti U, V, W del vento e della temperatura dell’aria e campi bidimesionali di parametri di turbolenza e temperatura, densità dell’aria, radiazione solare a onde corte, umidità relativa definita alla superficie nelle stazioni meteorologiche.
Il CALGRID (CALifornian GRIDded model) (Yamartino et al. 1992) è un modello fotochimico Euleriano tridimensionale che include moduli specifici per
l’avvezione/diffusione orizzontale e verticale. Un algoritmo basato sulla resistenza per la deposizione secca tiene in considerazione le proprietà degli inquinanti, la
meteorologia locale e le caratteristiche terrestri. Il modello è basato sul meccanismo chimico SAPRC-90, che contiene 54 specie chimiche e 129 reazioni. Il modello richiede informazioni circa il campo meteorologico e turbolento (da CALMET) e i dati di emissione nel territorio, nel momento iniziale e finale. Produce ogni ora un campo tridimensionale di concentrazione delle specie emesse.
Dominio di applicazione dei modelli
La Penisola Salentina si trova nella parte sud-est dell’Italia ed è circondata da due mari distinti, l’Adriatico meridionale e il Mar Ionio settentrionale, collegati dal canale
d’Otranto. La penisola è abbastanza stretta e la topografia è piatta con bassi rilievi. Un importante fenomeno meteorologico frequentemente osservato in questa zona è la fusione della brezza mare-terra, causata dal ciclo del riscaldamento diurno.
La simulazione con il modello RAMS è stata realizzata in una configurazione a griglie annidate a due vie, con tre griglie. La griglia usato per le simulazioni CALMET e CALGRID ha la stessa estensione orizzontale della griglia interna di RAMS. La
specifica delle dimensioni del dominio di applicazione e del passo di griglia è fornita in Figura/Tabella 1.
Figura/Tabella 1 – specifica delle dimensioni del dominio di applicazione e del passo di griglia In tabella: Grid = Griglia)
Simulazioni di dispersione
Durante il periodo scelto, 2-4 luglio 2003, la direzione prevalente del vento è stata sud-ovest, con brezze locali originatesi il secondo giorno lungo le coste.
Nella Figura 1 la concentrazione del modello è comparata con i dati osservati in alcune stazioni di misurazione della provincia di Lecce. Poiché le reazioni fotochimiche dovute alla radiazione solare avvengono durante le ore più calde, si osserva ovviamente un pronunciato ciclo diurno con massima durante il giorno e minima durante la notte.
Figura 1 – Comparazione tra i modelli e le misurazioni di concentrazione di ozono al suolo nelle tre diverse stazioni, nel periodo considerato.
Conclusioni
È stato presentato un sistema integrato per lo studio dell’inquinamento fotochimico. Il sistema è stato applicato alla Penisola Salentina in un periodo estivo favorevole alla produzione di ozono. Il sistema RAMS/CALMET è stato utilizzato per valutare la
modello CALGRID è stato usato per simulare il trasporto e la dispersione di inquinanti nell’aria. Il sistema integrato permette l’indagine di effetti chimici e meteorologici sull’inquinamento fotochimico. Il test utilizzato nel periodo prescelto con CALGRID mostra che livelli di concentrazione al suolo di O3 simulati e osservati sono ben comparabili.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
Fisher, B. (2002). Meteorological factors influencing the occurrence of air pollution episodes involving chimney plumes. Metor. Appl., 9:199-210.
Melas, D., Lavagnini, A., Sempreviva, A.M. (2000). An investigation of the Boundary Layer Dynamics of Sardinia Island under sea-breeze conditions. J. Appl. Meteor., 39:516-524.
Pielke, R.A., Cotton, W.R., Walko, R.L., Tremback, C.J., Lyons, W.A., Grasso, L.D., Nicholls, M.E., Moran, M.D., Wesley, D.A., Lee, T.J., Copeland, J.H. (1992). A comprehensive Meteorological Modelling System – RAMS. Meteorol. Atmos. Phys., 49, pp. 69-91.
Scire, J.S., Insley, E.M., Yamartino, R. (1990). Model Formulation and User’s Guide for the CALMET Meterological Model. California Air Resource Board.
Yamartino, R.J., Scire, J.S., Carmichael, G.R., Chang, Y.S. (1992). The Calgrid
mesoscale photochemical grid model – I model formulation. Atmospheric Environment, Vol. 26 A, No. 8, pp. 1493-1512.
RINGRAZIAMENTI
Molti ringraziamenti a C. Elefante per il suo supporto tecnico e a Giovanni Lella e al prof. F. Zuanni dell’Osservatorio per l’Inquinamento Atmosferico di Campi Salentina (Le) per averci fornito dati sperimentali, e la Provincia di Lecce per il supporto finanziario.